Mechanical Engineering Principles（機械工程原理）

引用

Bird, J., & Ross, C. (2020). Mechanical Engineering Principles (4th ed.). Routledge.

章節概要

第4版共388頁，分為四部分28章。各章篇幅很短，大多在6到20頁之間。每隔幾章安排一次複習測驗，書末附有公式表、公制與英制換算、希臘字母表、名詞解釋以及選擇題答案。根據Routledge的統計，全書有400道完整解答的例題、700道附答案的習題與300道選擇題。

第1–2章：數學複習；進一步的數學複習

第一部分「數學複習」以兩章複習全書要用到的數學，每章之後各有一次複習測驗。目的是讓數學生疏的讀者在進入力學之前先補齊。

第3–6章：力對材料的作用；拉伸試驗；作用於一點的力；簡支梁

第二部分「靜力學與材料力學」從力對材料的作用、如何以拉伸試驗描述材料特性、作用於一點的力的分解，以及簡支梁的支承反力開始。

第7–9章：結構中的力；彎矩圖與剪力圖；面積的一次矩與二次矩

分析結構中的力，接著討論梁內部的剪力與彎矩，以及彎曲計算所需的斷面性質。

第10–12章：梁的彎曲；扭矩；軸的扭轉

受彎梁的應力，以及扭矩與軸的扭轉，這是初等材料力學中兩種典型的負載情形。

第13–14章：矩陣代數導論；矩陣位移法

本版新增的兩章。Routledge指出，矩陣位移法一章也介紹了可在智慧型手機、平板電腦或筆記型電腦上執行的軟體。矩陣位移法一章約20頁，是第二部分中最長的章節之一。

第15–18章：直線運動與角運動；動量與衝量；力、質量與加速度；功、能與功率

第三部分「動力學」從初等動力學的核心內容開始：直線運動與角運動的運動學、動量與衝量、牛頓第二定律，以及功、能與功率。

第19–22章：摩擦；圓周運動；簡諧運動；簡單機械

動力學的其他主題：摩擦、圓周運動、簡諧運動與簡單機械。

第23–24章：熱能與熱傳；熱膨脹

第四部分「熱傳與流體力學」首先簡要介紹作為能量的熱、熱的傳遞，以及材料隨溫度的膨脹。

第25–28章：流體靜力學；流體流動；理想氣體定律；溫度量測

全書以靜止與流動的流體、理想氣體定律以及溫度量測方法收尾。

核心概念

第一部分（第1–2章）

• 數學複習：本書用到的代數等方法，在開頭先行複習，讓後面的力學章節可以直接使用。

第二部分（第3–14章）

• 拉伸試驗：描述材料受拉行為的標準試驗。
• 作用於一點的力：對通過同一點的力進行合成與分解。
• 彎矩圖與剪力圖：表示梁上各處內力的圖。
• 面積的一次矩與二次矩：梁的計算中使用的斷面性質。
• 矩陣位移法：一種以矩陣為基礎的結構分析方法，連同所需的矩陣代數背景一起介紹。

第三部分（第15–22章）

• 動量與衝量：物體的動量，以及力在一段時間內作用所產生的動量變化。
• 功、能與功率：以能量描述運動。
• 簡諧運動：最基本的振動形式，在初等層次上介紹。
• 簡單機械：改變力的大小或方向的基本裝置，是動力學部分的最後一個主題。

第四部分（第23–28章）

• 流體靜力學：靜止流體中的壓力與力。
• 理想氣體定律：氣體壓力、體積與溫度之間的關係。

評析

優點

• 練習量非常大。 Routledge提供的數字（400道例題、700道附答案習題、300道選擇題）對一本不到400頁的書來說相當多。每隔兩到四章一次的複習測驗提供了自然的檢查點。
• 入門平順。 以兩章數學複習開頭並保持章節短小，讓數學基礎尚不穩固的學生也能使用，包括經由繼續教育管道進入工程領域的學生。Routledge表示本版符合最新的BTEC National課程規範，也可用於多個工程學系的大學部課程。
• 一書涵蓋多門內容。 靜力學、材料力學、動力學、熱傳與流體力學集於一冊，適合對這些內容都只作簡要介紹的預備課程與一年級課程。
• 輔助資源。 配套網站提供習題與複習測驗的完整解答、實作示範影片、名詞解釋，以及書中提到的工程師的介紹。

局限

• 刻意的淺顯處理。 388頁分為28章，每個主題只占一個短章；例如講梁的彎曲的第10章只有約6頁。修讀完整大學靜力學或材料力學課程的學生需要內容更充實的教科書。
• 部分主題相對獨立。 第四部分的熱傳、流體、氣體定律與溫度量測超出靜力學與動力學的範圍；新增的兩個矩陣章節介紹的是以電腦為導向的結構分析方法，許多初階靜力學課程並不涵蓋。課程可以略過或延後。
• 職業教育定位。 與BTEC National規範的對應，以及Bird在繼續教育領域的教學背景，決定了本書的程度。大學生應預期入門級的步調，把本書當作起點，而不是完整的課程教科書。

在課程中的定位

在這門靜力學與動力學課程中，Bird和Ross是最基礎、涵蓋範圍也最廣的教科書。Hibbeler的 Engineering Mechanics: Statics 與Meriam和Kraige的 Engineering Mechanics: Dynamics 是完整的大學教科書，附有大量習題，Meriam和Kraige還採用系統化的向量方法；Bird和Ross可以在它們之前用來建立信心，也可以與它們並用，作為簡短說明與額外練習的來源。免費的OpenStax University Physics Volume 1 則講授這些力學主題背後以微積分為基礎的物理學。

Rao的 Mechanical Vibrations 與Williams的 Fundamentals of Applied Dynamics 要到很後面才讀：Bird和Ross關於簡諧運動的一章只是初步窺見Rao完整發展的內容，而Williams的功能方法、動量方法與拉格朗日方法都以扎實的第一門動力學課程為前提。

如何使用本書

本書以在繼續教育階段或大學一年級開始學習工程的學生為對象，Routledge也把它列為機械、土木、結構、航空、海洋工程與造船工程大學部課程的用書。讀者需要具備中學數學，書中用到的部分可以在開頭幾章複習。

實用的學習計畫：

• 從數學開始： 先做第一部分的複習測驗。如果做得順利就繼續往下；否則認真研讀第1–2章。
• 靜力學與材料： 依序研讀第3–12章，這是靜力學或入門材料力學課程的核心。第13–14章可以留到需要矩陣法時再讀，或當作電腦結構分析的入門。
• 動力學： 依序研讀第15–22章。第21章是修振動學之前很有用的預習。
• 選讀： 如果課程不涵蓋熱與流體，第四部分可以不讀。

以例題為範本，再做習題並核對答案；在進入下一組章節之前，把每次複習測驗當作限時自我評量。遇到評量深度超過本書的主題時，轉而閱讀完整的靜力學或動力學教科書中的對應章節。